[文章]：温度裂缝的性质与原因分析

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温度裂缝的性质与原因分析
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混凝土、钢筋混凝土是建筑结构中广泛使用的主要材料，在现代工程建设中占有重要的地位。随着大规模的经济建设的发展，工业建筑中的大型设备基础，高层民用建筑的基础等重要的、承受荷载大的结构，往往都是采用大体积混凝土建造的。
到底混凝土有多大数量，才能称为大体积混凝土呢？对于大体积混凝土很难下一个确切的定义，但凡属建筑工程大体积混凝土都有一些共同的特征：结构厚实，混凝土量大，工程条件复杂（一般都是现浇钢筋混凝土超静定结构，多为地下或半地下建筑），施工技术要求高；水泥水化热使结构产生温度和收缩变形；应采取相应的措施，尽可能减少温度变形引起的开裂。
因此，大体积混凝土经常出现的问题，不是力学上的结构强度，而是以控制混凝土温度变形裂缝，从而提高混凝土的抗渗、抗裂、抗侵蚀性能，以提高建筑结构的耐久年限而为突出任务。
混凝土随着温度的变化而发生膨胀或收缩，称为温度变形。对于大体积混凝土施工阶段来说，裂缝由于温度变形而引起的，可称为“初始裂缝”或“早期裂缝”。如何减少温度变形，是当前施工人员很关注的课题。
大体积混凝土施工阶段所产生的温度裂缝，是其内部矛盾发展的结果。一方面是混凝土由于内外温差而产生应力和应变，另一方面是结构物的外部约束和混凝土各质点间的约束，应阻止这种应变。一旦温度应力超过混凝土能承受的抗拉强度时，即会出现裂缝。这种裂缝一般虽不会影响结构的强度（裂缝宽度应在允许范围内），但却对结构的耐久性有所影响，因此必须予以重视和加以控制。现将产生裂缝的主要原因分述如下：
1、水泥水化热是大体积混凝土中的主要温度因素
水泥在水化过程中要发出一定的热量。而大体积混凝土结构物一般断面较厚，水泥发出的热量聚集在结构物内部不易散失。通过实测，水泥水化热引起的温升，在水利工程中一般为15～25℃【1】，而在建筑工程中一般为20～30℃，甚至更高。水泥水化热引起的绝热温升，是与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种（主要是水化热值）有关，并随混凝土的龄期（时间）按指数关系增长，一般在10～12d接近于最终绝热温升（视气温变化而异）。但由于结构物有一个自然散热条件，实际上混凝土内部的最高温度，多数发生在混凝土浇筑后的最初3～5d。
由于混凝土的导热性能较差，浇筑初期混凝土的强度和弹性模量都很低，对水化热引起的急剧温升约束不大，相应的温度应力也较小。随着混凝土龄期的增长，弹性模量的增高，对混凝土内部降温收缩的约束也愈来愈大，以致产生很大的拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种应力时，便开始出现温度裂缝。
2、外界气温变化的影响
大体积混凝土在施工阶段，外界气温的变化影响是显而易见的。因为外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高；而如外界温度下降，又增加混凝土的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加外界混凝土与内部混凝土的温度梯度，这对大体积混凝土是极为不利的。
混凝土内部的温度是水化热的绝热温度、浇筑温度和结构物的散热温降等各种温度的叠加，而温度应力则是由温差所引起的温度变形造成的；温差愈大，温度应力也愈大。同时，在高温条件下，大体积混凝土不易散热，混凝土内部的最高温度一般可达60～65℃，并且有较大的延续时间（与结构尺寸和浇筑的块体厚度有关）。在这种情况下，研究合理的温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的过大温度应力，就显得更为重要。
3、约束条件与温度裂缝的关系
各种结构物在变形变化中，必然会受到一定的“约束”或“抑制”而阻碍变形，这就是指的约束条件。
约束种类一般可概括为两类：即外约束和内约束（亦称自约束）。外约束指结构物的边界条件，一般指支座或其他外界因素对结构物变形的约束。内约束指较大断面的结构，由于内部非均匀的温度及收缩分布，各质点变形不均匀而产生的相互约束。具有大断面之结构，其变形还可能受到其他物体的宏观约束。大条件混凝土由于温度变化会产生变形，而这种变形又受到约束，便产生了应力，这就是温度变化引起的应力状态。而当应力超过某一数值，便引起裂缝。如在完全约束条件下混凝土结构物的温度变形，是温差与温度膨胀系数的乘积。即ε＝△T•a,当ε超过混凝土的极限拉伸值εp时，便出现裂缝。
式中ε为混凝土的收缩时的相对变形，△T为温差，a为混凝土的温度膨胀系数。
混凝土的温度膨胀系数a一般为10×10－6/℃，极限拉伸值εp一般在50～100×10-6之间，此时容许混凝土的内外温差值应为5～10℃。而实践证明，多数工程混凝土的温差一般在20～25℃之间尚未开裂。这主要因为结构物不可能受到绝对约束，混凝土也不可能完全没有徐变和塑性变形的缘故。
4、混凝土的收缩变形
混凝土中80％的水分要蒸发，约20％的水分是水泥硬化所必须的。混凝土水化作用时产生的体积变形，称为“自生体积变形”。该变形主要取决于胶凝材料的性质，对于普通水泥混凝土来说，大多数为收缩变形，少数为膨胀变形，一般在－50～＋50×10－6范围内。如果以混凝土温度膨胀系数为10×10－6/℃计，当混凝土的自生体积变形，从－50×10－6变至＋50×10－6时，即相当于温度变化10℃所引起的变形，这一数值是颇为可观的。
目前，补偿收缩混凝土的研究和发展逐渐认识到，如果有意识地控制和利用混凝土的自生体积膨胀变形，有可能大大改善某些混凝土的抗裂性。但对于普通水泥混凝土，由于大部分属于收缩的自生体积变形，数量级较小，一般在计算中忽略不计。
如前指出，在混凝土中尚有80％的游离水分需要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩（干缩），这种收缩变形不受约束条件的影响。若有约束，即可引起混凝土的开裂，并随龄期的增加而发展。
混凝土的收缩机理比较复杂，其最主要的原因，可能是内部空隙水蒸发变化时引起的毛细管引力。收缩在很大程度上是有可逆现象的。如果混凝土收缩后，再处于水饱和状态，还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交替将引起混凝土体积的交替变化，这对混凝土是很不利的。
有关研究资料证明，混凝土的最终收缩（变形）值一般在2～6×10－4范围内波动，有时高达10×10－4。在工程计算中，混凝土的极限收缩值一般取3.24×10－4。
在大体积混凝土温度裂缝计算中，可将混凝土的收缩值，换算成相当于引起同样温度变形所需要的温度值，即“收缩当量温差”，以便按温差计算混凝土的应力。实践证明，由混凝土收缩变形引起的温度应力是不可忽略的。

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